固體與半導(dǎo)體物理-第二章

1、第二章 晶體的結(jié)合電負性與晶體的典型結(jié)合方式結(jié)合能與晶體的性質(zhì)離子結(jié)合與離子晶體范德瓦耳斯結(jié)合與分子晶體共價結(jié)合與共價晶體金屬結(jié)合及金屬晶體氫鍵結(jié)合與氫鍵晶體2.1 電負性與晶體的典型結(jié)合方式晶體的典型結(jié)合方式電負性電負性與元素結(jié)合規(guī)律1. 晶體的典型結(jié)合方式離子鍵離子晶體，正負離子間靜電庫能能；共價鍵原子晶體，共用電子對的交換作用能；金屬鍵金屬晶體，正原子實與負電子云的庫能能；分子鍵分子晶體，偶極矩之間互作用能；氫鍵氫鍵晶體，裸露的氫核（帶正電）與電負性較大的原子間的互作用能排斥力主要來源于泡利斥力2. 電負性電離能使一個價電子擺脫其原子核的束縛，所必須施加的能量親和能一個中性原子從外界獲得

2、一個電子而變成負離子中所釋放的能量電負性原子對電子的束縛能力大小的量度Mulliken定義電負性為：3. 電負性與元素結(jié)合規(guī)律元素電負性的變化規(guī)律同一周期元素，第I族元素電負性最小， 第VII族元素電負性最大同一族元素，隨周期增加，電負性減小周期表中位于右上角的元素電負性最大，而位于左下角的Cs元素電負性最小返回2) 電負性與元素結(jié)合規(guī)律：電負性差較大的兩元素間多以離子鍵相結(jié)合。（NaCl)電負性接近的元素間多以共價鍵相結(jié)合。 (C、Si)2.2 結(jié)合能與晶體的性質(zhì)兩原子間的互作用能晶體結(jié)合能結(jié)合能與晶體性質(zhì)的關(guān)系1. 兩原子間的互作用能u(r)rrf(r)rorm2晶體的結(jié)合能晶體結(jié)合能：個

3、粒子組成晶體后系統(tǒng)總能量與粒子間無相互作用時能量的差（令無相互作用時勢能為零點）3結(jié)合能與晶體性質(zhì)的關(guān)系2.3 離子結(jié)合與離子晶體離子對的形成離子晶體的幾何結(jié)構(gòu)離子晶體的結(jié)合能馬德隆常數(shù)1. 離子對的形成離子晶體由電負性相差較大的元素形成原子間存在電荷的轉(zhuǎn)移，金屬原子失去電子變成帶正電的正離子，而非金屬原子得到電子變成帶負電的負離子正負離子靠庫侖引力結(jié)合在一起I-VII族組成的晶體是典型的離子晶體，如： NaCl， CsClII-VI族化合物可以看作離子晶體，如：CdS、ZnS離子晶體結(jié)合能的數(shù)量級約在800 kJ/mol，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性質(zhì)：高熔點，高升華熱，硬度高，脆性大，熱膨脹系數(shù)小，固態(tài)導(dǎo)電

4、性差，但可溶于極性溶液中電解導(dǎo)電。在紅外區(qū)有一特征峰，對可見光透明。2. 離子晶體的幾何結(jié)構(gòu)離子晶體一定是復(fù)式晶格；每一個離子的周圍均為異號離子；可能的配位數(shù)由兩種原子的半徑比決定：，CsCl結(jié)構(gòu)，配位數(shù)：，NaCl型結(jié)構(gòu)，配位數(shù)：，閃鋅礦型，配位數(shù)：排斥指數(shù)晶體NaClNaBrKClKBrRbClRbBrn值7.778.098.698.859.139.003離子晶體的結(jié)合能馬德隆常數(shù)，異號取正，同號取負異號取負，吸引；同號取正，排斥。4馬德隆常數(shù) 馬德隆常數(shù)只與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān) NaCl型晶體的馬德隆常數(shù)：返回2.4 范德瓦耳斯結(jié)合與分子晶體范德瓦耳斯力分子晶體的晶體結(jié)構(gòu)分子晶體的結(jié)合能1. 范

5、德瓦耳斯力范德瓦耳斯力指偶極矩間的相互作用力瞬時偶極矩非極性分子，彌散力+-+-+-+-a態(tài)，吸引 b態(tài)，排斥固有偶極矩極性分子，取向力+-+-誘導(dǎo)偶極矩極性分子，感應(yīng)力，電荷分布發(fā)生畸變+-+- 幾種偶極矩間作用力均可表為：以非極性分子為例，將兩分子視為諧振子，兩分子間距離為r，分子線度為x， ，兩振子間相距很遠時，無相互作用，兩分子系統(tǒng)可視為頻率相同的獨立諧振子，系統(tǒng)總能量： +-+-x1x2r0分子振動頻率，C-恢復(fù)力常數(shù)兩分子靠近后，其相互作用能u12：分子極化系數(shù)對有相互作用振子系統(tǒng)，引入正則座標系統(tǒng)總能量：系統(tǒng)基態(tài)能量：由量子力學(xué)，諧振子能量：式中第一項為無相互作用時兩振子系統(tǒng)的能

6、量，第二項即為兩振子的互作用能，即范德瓦爾斯力引起的互作用能：如果考慮兩個三維諧振子，則：引入兩個參量和，相互作用能：稱為雷納德-瓊斯勢( Lennard Jones Potential).離解能，結(jié)合能的絕對值。與距離有關(guān)的量/r=1，u=0.2分子晶體的結(jié)構(gòu)分子鍵往往產(chǎn)生于原來具有穩(wěn)定電子結(jié)構(gòu)的原子或分子之間惰性元素，價電子已經(jīng)形成共價鍵的飽和分子性質(zhì)：常常采用密堆積結(jié)構(gòu)低溶點，低沸點，易壓縮，高熱膨脹，低升華熱，能溶于非極性有機溶劑。3分子晶體的結(jié)合能 雷納德瓊斯勢A12和A6為結(jié)構(gòu)參數(shù)R最近鄰原子間距2.5 共價結(jié)合與共價晶體氫分子中的共價鍵共價鍵的飽和性與方向性共價晶體的結(jié)構(gòu)極性鍵與

7、非極性鍵（混合鍵）共價晶體的結(jié)合能（量子力學(xué)）1氫分子中的共價鍵電子配對理論電子自旋配對變分法 成鍵態(tài)，反鍵態(tài)軌道雜化理論分子軌道線性組合法反鍵態(tài)成鍵態(tài)2共價鍵的飽和性與方向性飽和性每個原子形成共價鍵的數(shù)目有限（）定則方向性形成共價鍵的方向與電子態(tài)有關(guān)成鍵在電子云重疊最大方向S電子球?qū)ΨQ分布，P電子啞鈴狀分布.電子幾率分布3共價晶體的結(jié)構(gòu)AB型化合物閉合SP電子殼層共價鍵的飽和性與方向性特定結(jié)構(gòu)典型結(jié)構(gòu)： 正四面體結(jié)構(gòu)（金剛石，閃鋅礦）性質(zhì)：高硬度，高熔點，幾乎不深于所有溶劑，高折射率，強反射本領(lǐng)。軌道雜化：2.6金屬結(jié)合及金屬晶體金屬結(jié)合金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)合能（量子力學(xué)）1金屬結(jié)合金屬原

8、子電負性小，易失去電子帶正電的原子實大量自由電子（自由電子氣體）原子實的周期排列形成金屬晶架2金屬晶體結(jié)構(gòu)大多采用密堆積結(jié)構(gòu)（12）少量金屬也形成配位數(shù)稍低的體心立方結(jié)構(gòu)（8）性質(zhì)：良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性，強反射，不透明，表面光澤，只溶于液體金屬中，易于拉伸和延展。2.7 氫鍵結(jié)合與氫鍵晶體氫鍵結(jié)合氫鍵晶體冰返回氫鍵結(jié)合： 氫原子核外只有一個電子，當這個電子與其他電子配對形成共價鍵后，H核裸露裸露在外，裸露的H核帶正電，還可以與一個電負性較強的原子結(jié)合，這種結(jié)合稱為H鍵。冰中的H鍵： O H O同分異構(gòu)體同分異構(gòu)體：化學(xué)式相同，但結(jié)構(gòu)不同，因而性質(zhì)不同（可有很大差異）。C的幾種同分異構(gòu)體： 金剛石，石墨，C60分子金剛石金剛石石墨 C60固